大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制0218

大直径泥水盾构施工 管片衬砌背后注浆质量控制

发表人： 游永锋

中铁隧道集团有限公司广深港客运专线

狮子洋隧道SDⅢ标项目部

2009年1月4日

一、小组简介

广深港施工技术QC小组于2006年7月1日成立，小组成员由10人组成，小组活动课题《减低连续墙在砂层中扩孔系数控制技术QC成果报告》荣获了集团2008年QC发表会一等奖；自盾构始发掘进以来，QC课题小组的基础上调整成立了大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制QC小组。在历时一年多的盾构施工过程中，小组立足于指导盾构施工、控制工程成本，通过对盾构施工法的管片衬砌背后注浆技术的研究与总结，解决了现场的施工技术问题，总结和积累了施工经验，掌握了相关技术。小组成员如下表1：

表1 广深港施工技术QC小组成员

顺序 1 2 小 组 人 员 情 况 3 4 5 6 7 8 9 10 姓 名 洪开荣 杜闯东 梁奎生 郑清君 蔡军锋 游永锋 唐 坤 任成国 王利中 吴国兵 年龄 44 32 31 33 31 28 28 28 36 35 性别 男 男 男 男 男 男 男 男 男 男 职 称 教高 工程师 助工 工程师 工程师 助工 助工 助工 高级工 文化 程度 大本 大专 大专 大本 大专 大本 大本 大专 高中 初中 组内 职务 小组长 二、工程概况

1、工程简介

新建广深港客运专线狮子洋隧道工程全长10.8km，从广州侧由西向东下穿狮子洋后进行东莞。该工程为目前国内隧道最长、标准最高的水底隧道，同时也是世界上速度目标值最高的水底隧道，是广深港客运专线的控制性工程。

SDⅢ标位于东莞侧，左线正线长5.25km，右线正线长5.55km。其中包括引道段180m，明挖暗埋段597m，盾构井23m，盾构段左线4450m，右线4750m。附属工程包括轨下混凝土填充、沟槽、联络通道、敞开段雨棚及设备用房等。隧道采用两台直径Φ11.2m泥水盾构进行掘进施工，衬砌为单层装配式钢筋混凝土

管片。管片外径10.8m、内径9.8m，环宽2m、厚0.5m，为“5+2+1”形式，管片接缝设定位榫和定位杆槽。

工程所处位置地形平坦，分布有较多的水塘和果园，地面标高为-0.8～1.5m，右线1560m（左线1360m）隧道下穿狮子洋，狮子洋水道水深流急，航运繁忙，主航道宽约700m、最大水深26.6m。

2、工程地质条件

隧道通过地质条件复杂，主要为第四系全新统土层和白垩系基岩，为广东地区典型的复合地层，包括全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层等，根据地层分布可以分为四类断面。

（1）全断面软土（淤泥、砂层）地层

（2）上部为砂层、下部为（泥质粉）砂岩全风化层或微风化层 （3）上部为（泥质粉）砂岩全风化层、下部为微风化层。 （4）全断面（泥质粉）砂岩地层

同时第四系砂层海陆交互相沉积形成的，其特点是在河床及河漫滩内十分发育，其形态多呈透镜状，有些地段厚度大。泥质粉砂岩（砂岩）地层岩性复杂，此层粉粒和粘粒成份低，渗透系数大，施工过程中易坍塌。泥质粉砂岩（砂岩）地层是白垩系全风化<5>2和微风化<5>3地层。岩石单轴抗压强度一般小于45MPa，粉粒和粘粒等粘土矿物成分较多，同时石英含量较高。

三、选题理由

本小组的活动课题为：管片衬砌背后注浆质量控制，选题理由主要有以下几点

满足高速列车运营要求：列车荷载作用下，道床顶面等结构变形要求， 及施工地表沉降要求 为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，确保盾构隧道的 最终稳定，控制管片上浮。 凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水 能力；减少管片错台、破损后引起的漏浆情况 长距离隧道换刀由于注浆质量差会导致盾尾来水多，影响刀具更换作 业 管片衬砌背后注浆质量控制 四、现状调查

通过对左线管片姿态测量，发现766～779环管片安装后脱出盾尾的管片发生了的上浮，上浮量最大值达到100mm以上，此段地层属富含水硬岩段隧道，伴随着上浮，管片接缝出现漏水，螺栓孔漏水，下表2中显示不同时间段管片上浮量值，图1，图2为管片接缝漏水及螺栓孔漏水情况。

表2 管片上浮情况表

环号 高程偏差 时间 2008-12-13 2008-12-14-8:30 2008-12-14-20:00 2008-12-15-12:00 2008-12-16-14:01 2008-12-17-10:00 2008-12-18-10:30 2008-12-19-09:30 2008-12-20-9:30 2008-12-21-9:30 2008-12-22-9:30 2008-12-23-15:00 766 767 768 769 770 771 772 773 774 775 776 777 778 779 -46 -47 -44 -41 -42 -47 -40 -43 -62 -53 -62 -41 -30 -31 -35 -32 -28 -21 -29 -26 -31 -38 -36 -53 23 33 37 53 36 41 33 27 0 40 39 43 35 54 56 56 33 19 6 -6 33 43 46 53 48 57 63 53 43 37 35 15 35 27 36 37 46 46 49 52 58 54 57 39 14 8 29 33 32 40 18 24 30 35 44 39 67 50 50 34 34 41 37 41 45 42 42 46 34 25 25 40 40 33 32 13 22 15 26

图1、螺栓孔漏水图 图2、接缝漏水图

五、设定目标 1、目标设定： 减少注浆浆液流失量，管片上浮控制在20mm内，开仓盾尾来水造成液位上涨水量控制在每小时20方以内. 2、目标可行性分析

（1）公司及项目部领导高度重视，在各方面都给予了大力支持。

（2）小组成员有较强的攻关能力，成员们长期合作，配合默契。对新事物、新工艺易接受，掌握快。

（3）本工程虽然有很大的施工难度，但是通过优化施工方案、科学管理、严格按要求施工，能够解决施工难题，从而实现暨定目标。

（4）有成熟的施工队伍，有一批技术经验丰富、工作严谨、责任心强的土木、机械技术人员负责区间隧道的施工。

（5）在广州地铁区间施工中，通过背衬注浆浆液调整我们解决并总结了盾构在红层掘进过程中管片上浮的问题；

总之，在上级领导重视，各相关单位全力配合，小组成员的齐心协力下一定能够达到预期目标。

六、原因分析

QC小组根据盾构在富含水泥质粉砂岩硬岩段施工情况，同时根据以往的施工经验，为解决管片上浮及其它问题，对左线管片上浮及产生的一些质量缺陷的原因进行了分析，归结为只要提高背衬注浆的质量，这些问题就可以迎刃而解，分析影响背衬注浆质量的因素主要有以下几点：

注浆管路分布距离远 背衬

大部分工人未参与过盾构施工 注浆管路长，盾尾管路小 人员缺乏施工经验 骨料中含有大粒径物质 注

浆质

缺乏操作细则 浆液输送方案不合理 施工进度慢致使 浆液储存时间过长 浆液性质不合理 量差

泥水盾构泥浆对砂浆会造成稀释，影响质量

图3、因果分析图 其中有★的是主要原因

七、要因确认

结合现场记录和各项原因分析，QC小组针对影响背衬注浆各项因素展开了要因确认，具体分析情况汇总见表3

表3 要因确认表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

影响因素 原 因 分 析 大部分工人以前未接触过盾构施工 惰性浆液凝结时间长，管片所受浮力大，而且地层富水，砂浆注入后稀释，影响填充质量 过程中曾发生堵管现象，从盾尾洗出大颗粒石子 砂浆堵管现象也存在 注浆效果会受一定影响 询问操作工人，对注浆理解不深 从输送车砂浆罐输送至盾构机砂浆罐时间达40min 地层含泥量大，需冲洗占用了较多时间 设定泥水压力如过低，砂浆会顺盾构会流入刀盘 结论 非要因 要因 非要因 非要因 非要因 非要因 非要因 非要因 要因 人员缺乏施工经验 材料及浆液性质不合理 骨料中含有大粒径物质 注浆管路长，盾尾管路小 注浆管路分布距离远 缺乏操作细则 浆液输送方案不合理 施工进度慢浆液储存时间长 泥水盾构泥浆对砂浆冲洗，影响砂浆质量 八、制定对策

根据要因确认表所确认的要因，小组成员进行综合论证，按5W1H原则制定了以下对策、措施。

表4对策表

序号 要因 对策 目标 措施 实施人 地点 完成日期 1 材料及浆液性质不合理 根据现场需要重新试验 缩短砂浆凝结时间 调整配合比 蔡军锋 试验室 2008-11-7 泥水盾构泥2 浆对砂浆冲洗，影响砂浆质量

备用注浆管注入水玻璃 促使砂浆凝结 采用双液注浆原理使砂浆早凝 游永锋 施工现场 2008-12-30 九、对策实施

1、调整配合比，尽量缩短砂浆凝结时间.

原来的配合比具体指标如下表普通壁后注浆配合比指标。

表5 普通壁后注浆配合比

配比编号 1 2 3 4 5 水泥 197 191 189 182 175 河砂 371 398 437 474 505 水 463 468 442 430 435 膨润土 193 196 182 177 169 粉煤灰 525 507 501 487 466 表6 普通壁后注浆配合比指标

配比 编号 1 2 3 4 5 拌和物性能 固结收缩率% 1.0 0.9 0.9 1 1.3 稠度 8.6 8.6 9.4 9.3 10.0 比重 1.77 1.77 1.79 1.79 1.80 凝结 时间t 5：40 6：45 6：34 6：45 7：05 倾析率% 1.6 1.4 1.6 2.0 4.0 液体结石率% 98.4 98.6 98.4 98.0 96.0 力学性能 1d强度MPa 0.93 0.83 0.79 0.79 0.77 28d强度MPa 4.6 3.7 4.2 4.0 3.6 结合试验情况，同时从成本来考虑，决定选用配比编号5的砂浆配合比作为本工程的壁后注浆配合比，施工现场工程地质情况发生变化时，随时优化配比，以满足工程需要。由于施工现场施工情况发生了变化，决定对砂浆配合比进行调整，具体配比如下表

配比编号 1 水泥 160 河砂 900 拌和物性能 固结收缩率% 0.9 稠度 10.9 比重 1.75 凝结 时间t 3：40 倾析率% 2.3 液体结石率% 97.7 水 400 膨润土 70 粉煤灰 270 减水剂 2.65 具体性能指标如下： 配比 编号 1 力学性能 1d强度MPa 0.86 28d强度MPa 5.2 根据施工现场的情况调整后的砂浆能够满足施工现场的要求。 特殊情况下的应急配合比

由于施工现场不可预见因素太多，有时可能发生涌水、管片上浮量过大，地表沉降过大以及地下水极其丰富等紧急情况，需要特殊的施工配合比，具体有速凝型水泥浆液和抗冲刷的水泥浆液。

(1)、速凝型水泥浆液

1)、加速凝剂型水泥浆液

加速凝剂型水泥浆液就是在水泥砂浆中加入速凝剂，使浆液的凝结时间大为缩短，特殊情况下，凝结时间可以缩短到几秒中，对于纯水泥浆液或粘土水泥浆液而言，加入的速凝剂是氯化钙或硅酸钠；对于膨润土水泥浆液而言，最常用的速凝剂是硅酸钠，下面具体说明在配比5浆液中加入速凝剂的反应情况，如表7速凝型水泥浆液配比。速凝剂掺量分别为水泥用量的5%、8%、10%，具体的试验情况如下表8。

表7 速凝型水泥浆液配比

配比编号 5 水泥 175 河砂 505 水 435 膨润土 169 粉煤灰 466 表8 速凝型水泥浆液配比中速凝剂掺量

砂浆配比编号5 掺入5%的速凝剂 掺入8%的速凝剂 掺入10%的速凝剂 试验情况描述 加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，41分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，4h26min以后强度才完全上来。 加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，28分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，3h43min以后强度才完全上来。 加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，19分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，3h16min以后强度才完全上来。 备注 2)、加速水玻璃型水泥浆液

加速水玻璃型水泥浆液就是在水泥浆液中加入水玻璃，同样可以使浆液的凝结时间缩短，具体方法如下：把水玻璃分别调整为混合液，就是把水玻璃和水进行混合，分别是： A、水玻璃：水=1：1（比重1.2，波美度：24）；B、水玻璃：水=1：2（比重：1.17，波美度：17）；C、纯水玻璃（比重：1.14，波美度：40）；具体掺量分别为总浆液量的10%、15%、20%、25%，具体的反应情况如下表9。

表9 加速水玻璃型水泥浆液中水玻璃掺量

配比 比例 10% 15% A：配比编号5 20% 25% 试验情况描述 混合后，砂浆1min30s开始不流动，3min50s表面凝固，10min40s完全凝固，强度不太高。 混合后，砂浆1min45s开始不流动，4min1s表面凝固，11min02s完全凝固，强度较高。 混合后，砂浆2min3s开始不流动，4min39s表面凝固，10min40s完全凝固，强度较高。 混合后，砂浆3min8s开始不流动，5min30s表面凝固，11min5s完全凝固，强度较高。 备注 根据室内试验可以看出，掺量越高，砂浆完全凝固后，其强度越高。但是掺量过高，在不能完全混合的情况下，表面有部分水玻璃混合液。 混合后，砂浆1min30s开始不流动，7min表面凝固，18min5s根据室内试验10% 完全凝固，强度不太高，表面有少量水玻璃混合液。 可以看出，掺混合后，砂浆3min9s开始不流动，6min22s表面凝固，量越高，砂浆15% 17min38s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。 完全凝固后，混合后，砂浆3min8s开始不流动，5min36s表面凝固，其强度越高。20% B：配比编号5 16min36s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。 但是掺量过高，在不能完全混合的情况混合后，砂浆3min13s开始不流动，6min4s表面凝固，下，表面有部25% 17min24s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。 分水玻璃混合液。 加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流10% 动，1min05s已经不流动，2min表面凝固，6min2s完全凝固,根据室内试验可以看出，掺但表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。 量越高，砂浆加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流完全凝固后，15% 动，1min16s已经不流动，3min20s表面凝固，5min48s完全其强度越高。凝固,强度不是太高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。 C：配比编号5 但是掺量过加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流高，在不能完20% 动，2min28s已经不流动，4min19s表面凝固，6min3s完全全混合的情况凝固,强度较高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。 下，表面有部加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流分水玻璃混合25% 动，2min50s已经不流动，4min20s表面凝固，5min46s完全液。 凝固,强度较高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。 对比A、B、C、试验可知，在水玻璃混合液比重越大的情况下，掺量越大，其强度越高，但是掺量过高存在表面有部分水玻璃混合液不能完全和砂浆凝固的情况。通过以上试验,当采用速凝型砂浆时有以上两种方法，A：配比编号5与C：配比编号5可以满足要求。建议采用在砂浆加入水玻璃:水=1：1的20%混合液，即能满足需要，又节约成本。

水玻璃:水=1：1情况下浆液凝结情况如上图。

(2)、抗冲刷的水泥浆液

在地下水特别丰富的情况下，就要求壁后注浆浆液到位后不流动，即具有抗流水冲刷的能力，以便达到填充加固的目的，实现上述目的，可以采用如下两种措施：1、用凝结时间非常短的速凝型水泥浆液；2）、在浆液中加入絮凝剂；下面主要介绍一下在浆液中加入絮凝剂的试验情况描述：掺量分别是水泥用量的

3%、4%、5%，具体试验情况见下表10描述。

表10 抗冲刷的水泥浆液中加入絮凝剂的用量

砂浆配比编号5 试验情况描述 备注 加入3%的絮凝剂以后，7分钟左右砂浆开始反应并且变稠，并且出掺入3%的絮凝剂 现絮状物质，但是放置30min～60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。 加入4%的絮凝剂以后，5分钟左右砂浆开始反应并且变稠，并且出掺入4%的絮凝剂 现絮状物质，但是放置30min～60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。 加入5%的絮凝剂以后，3分钟左右砂浆很快反应并且变稠，并且出掺入5%的絮凝剂 现絮状物质，但是放置30min～60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。 简单的说，就是在中掺有膨润土的砂浆中，加入絮凝剂，前期效果比较明显，但是反应时间大快，不能满足工程施工的需要，并且后期强度上长太慢，也就是说前期虽然砂浆不分散了，但是没有什么强度，同样不能满足施工需要。 2、启用双液注浆原理同步注浆。

图4、盾尾漏浆图

未注水玻璃情况下，2号注浆管漏泥浆情况，说明砂浆质量注入较差，被前方泥浆及地下水稀释的影响下，达不到填充效果。

为了减少同步砂浆被地下水冲散流失，确保管片背后砂浆充填质量，特对同步注浆加强管理。具体做法如下：

正常掘进时，盾构机从掘进开始至行程为400mm时，开始启用150型泵注入水玻璃混合液，注浆控制以“注浆量为主，压力为辅”。用一档启用泵，注入半桶混合液，紧接按先后次序分别开关2、5、1、6号球阀让混合液进入盾尾后面，

可根据现场实际操作经验控制好时间间隔，确保每根注浆管注入量均匀；当行程为600mm时，再次启用泵，按第一次开关顺序均匀注混合液，当程为800、1000、1200、1400、1600、1800、2000mm时，分别用泵注入混合液，开关顺序不变。当注浆完成时，分别在管道里注清水，防止盾尾砂浆进入管道出现堵塞现象。

当掘进完成接到停机指令后，必须保压至少1个小时方可进行降压程序。若是开仓换刀，必须在降压开始的同时注入砂浆和水玻璃混合液，注入砂浆量在20方以上，相应注入4桶水玻璃混合液。

现场施工每掘进1环注4桶水玻璃混合液，配合比按水玻璃：水=1：1，即现场用1桶水玻璃，与1桶水进行配置，也就是说，1桶水玻璃混合液成2桶水玻璃混合液。利用盾尾顶部的1、6号和中部2、5号共4根备用注浆管将水玻璃混合液注入，要用150型注浆泵,注入压力不能过高，稍微比注砂浆大1～2bar即可, 尽量使用两种浆液充分混合。

根据现有的管路及设备，另需购2套带用球阀五通阀、4根接着2、5号备用注浆管带接头的管路（压力要保证在12Mpa以上）、2台150型泵（1台用作备用）。

图5、盾尾注浆管布置图

图6、注水玻璃设备图 图7、注水玻璃五通图

十、效果检查

通过对控制同步注浆质量等各种施工措施的实施，以及QC小组活动的开展以及全体施工人员的共同参与、成员之间的交流和讨论，我们基本掌掘了在富含水硬岩段盾构掘进的各项施工控制参数、施工方法及措施，并有效控制和解决了管片上浮的技术难题，确保了盾构的顺利掘进，保证了盾构在富水硬岩段的施工质量，得到了监理、业主的好评。

图8、成型后的隧道

1、技术效益

通过对盾构法施工注浆技术的研究和对现场施工过程的控制，满足了盾构隧道的防水、为管片提供早期稳定、控制地表沉降等施工要求，解决了管片上浮、施工防水、注浆压力与盾构隧道衬砌管片错台、破损以及地表沉降的关系等施工技术问题。顺利完成施工，并基本掌握了该项技术。

①通过对策实施，管片上浮得到了有效的控制，基本都在20mm内。

表11、对策实施后管片上浮情况

环号 高程偏差 时间 1.22.15:03 1.23.15:04 1.24.15:05 1.25.15:01 1.26.15:00 889 -65 -65 -37 -45 890 -57 -60 -43 -56 891 -64 -68 -36 -46 892 -70 -75 -42 -52 893 -71 -80 -46 -54 894 -70 -80 -48 -49 895 -67 -84 -48 -54 -51 896 -72 -83 -50 -58 -53 897 -74 -89 -46 -58 -57 898 -74 -89 -48 -62 -54 899 -73 -86 -51 -59 -51 ②在后续的几次开仓作业中，盾尾来水很小，保证了刀具更换作业。

图9、 盾尾很少量来水 图10、盾尾无来水 2、经济效益

立足于控制工程成本的角度，通过现场试验与研究，确定了满足现场施工要求、合理的、有利于降低工程成本的施工配合比和注浆量，有效的控制了工程成本。

盾尾来水 3、社会效益

提高了隧道的外观质量，为所施工的工程申报优质工程奠定了基础。

4、作业标准化

形成了完善的、合理的《泥水盾构施工管片衬砌背后注浆作业指导书》，对今后的盾构施工具有十分重要的指导意义。

十一、总结和下一步打算

1、总结

1.1管片衬砌背后的注浆作为盾构法施工隧道的第一道防水屏障，对于建成

隧道的长久防水具有重要的意义。若能在浆液中加入防水材料，增强浆液凝结后的防水能力，将为隧道的防水提供可靠的保证。并且，从整个工程考虑也可减少后期的防水资金投入，有利于控制工程成本；

1.2管片衬砌背后注浆在整个工程中，其材料用量是极大的，从控制工程成

本的角度出发通过调整浆液组成材料，减少材料费用的投入。

表12.自我评价表

序号 1 2 3 4 5 6 评价内容 团队精神 质量意识 进取精神 QC工具运用技巧 工作热情干劲 改进意识 活动前（分） 3 4 3 3 4 2 活动后（分） 4 5 4 4 5 4 制表：游永锋 时间：2009年1月4日

工作热情干劲

活动前： 活动后：

自我评价雷达图

改进意识工具应用技巧进取精神质量意识54321团队精神2、下一步安排

2.1 做好盾构在硬岩段施工参数的记录、整理工作，认真分析盾构在富含水硬岩掘进过程中的盾构姿态、掘进速度、注浆系统、注浆方法、浆液性能等对管片上浮的影响，进一步优化盾构在硬岩段的掘进各项指标和参数；

2.2 根据不同区段的地质情况，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。及时调整浆液配比，进行动态管理， 注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮；

2.3对控制管片上浮经验形成一个系统的总结，为盾构过江硬岩段提供指导性施工。